MEDIDOR DE LA ONDA MISMATCH NEGATIVITY. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Departamento de Ingeniería Eléctrica

Transcripción

1 MEDIDOR DE LA ONDA MISMATCH NEGATIVITY Ximena Alexandra Mora Méndez, Jorge Bohorquez Rincón, UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Departamento de Ingeniería Eléctrica Resumen. El siguiente documento recopila información en relación con un software diseñado en DELPHI llamado MEDIDOR_MMN permite obtener una onda componente de los potenciales evocados auditivos, la cual se logra tras generar un estímulo auditivo con frecuencias y duraciones establecidas. Dicha onda se conoce con el nombre de Mismatch Negativity. Para esto se hizo necesario no solo programar el software, sino también diseñar un equipo de adquisición cerebral (EEG, electroencefalógrafo) con dos canales. Después de tener todo el equipo y el software terminado, se realizaron pruebas en personas normales, conscientes cuyo promedio de edad oscilaba entre 20 y 40 años, con las características requeridas para tener pruebas exitosas. INTRODUCCION El registro de ondas cerebrales que se obtienen después de estimular auditivamente al sujeto, ha sido objeto de estudio desde hace algunos años. A través de herramientas como éstas se han logrado detectar patologías determinadas que han servido como ayuda para médicos a la hora de distinguir enfermedades que no habían podido ser determinadas con facilidad. La onda Mismatch Negativity es un claro ejemplo de éste tipo de herramientas. Para llegar a la elaboración final del equipo, se hizo necesario hacer una recopilación bibliográfica de los potenciales evocados auditivos con el fin de crear el ambiente propicio para el buen entendimiento de la componente Mismatch Negativity. A continuación se realizó el protocolo de estimulación, que es la secuencia que se presenta como antesala a la prueba como tal. Después de realizar el protocolo se diseñó el equipo de adquisición EEG y el software de estimulación y recepción de datos. Para esto se recurrió a DELPHI, una herramienta de programación en ambiente Windows, manejada en Pascal. Finalmente se realizaron las mediciones en sujetos normales con el fin de garantizar que tanto el software como el equipo están funcionando. CONCEPTOS BASICOS DE LA COMPONENTE MISMATCH NEGATIVITY La onda MMN es una componente de los potenciales evocados auditivos que se presenta tras un cambio infrecuente en un sonido que se repite aleatoriamente [1]. Los datos de Mismatch Negativity implican una gráfica en la cual se presenta el desarrollo del estimulo estándar y se prueba mediante estimulación deviant de diferentes magnitudes, que por consiguiente determina la exactitud de la representación del sonido cerebral [2]. Para evocar una onda MMN se tiene que crear un cambio de secuencia de estímulos que pueden ser estándar o deviant (variante). La estimulación estándar se hace a 1000 Hz con una probabilidad de 0.8 y la estimulación variante 1100 Hz con una probabilidad de 0.2. Entre estímulos existe un intervalo conocido como ISI (intervalo interestímulo) el cual no debe excede 1 segundo. Con éste tiempo se garantiza una amplitud mayor a la hora de grabar la onda MMN [3]. La componente MMN es una respuesta a una diferencia de estímulos secuenciales, en uno o varios parámetros o paradigmas de estimulación como lo son los siguientes (Naatanen, 1992): Frecuencia Intensidad Duración

2 Tiempo de crecimiento La MMN permite la obtención de una medición fisiológica indirecta de la información sensorial que procesa el cerebro. Esta se puede grabar en cualquier cambio al flujo de estímulos (Naatanen y colegas) [1]. La MMN aparece como una negatividad de los potenciales evocados auditivos cuya aparición esta concentrada entre 100 y 300 ms [3]. La MMN se graba con 3 electrodos que indican una distribución en línea media con una amplitud máxima sobre las áreas frontales, ubicados el positivo en el centro de la cabeza, el negativo detrás del oído izquierdo y la referencia en la frente, alineada con la línea de la nariz. Además, hacer una grabación de la onda sobre córtices temporales, permite un mejor registro de la amplitud de la onda [4]. La diferencia de las ondas ERP tras estímulos deviant y estándar para desviaciones de frecuencia, intensidad y duración, se pueden registrar localizando electrodos de Ag/AgCl de manera equidistante a lo largo de la línea del hemisferio izquierdo conectando el frontal con el mastoide derecho [3]. La rata de muestreo para los potenciales evocados auditivos es de 360 Hz. ALCANCES CLINICOS DE LA ONDA MMN La onda Mismatch Negativity se ha encaminado últimamente a los siguientes estudios: Alzheimer Parkinson Esquizofrenia Dislexia Afasia Alcoholismo Sida La característica principal de los pacientes disléxicos y afásicos es la falta de atención. Para disléxicos y afásicos se adecuan patrones de sonido complejos con variaciones de tiempo rápidas. La MMN se puede emplear para la evaluación de los déficit de percepción auditiva en afasia. Los pacientes afásicos y disléxicos presentan una componente MMN con amplitud en decrecimiento, especialmente con intervalos interestímulo grandes. Los pacientes con mal de Parkinson demuestran un patrón en déficit, en contraposición a los enfermos de alcoholismo, los cuales presentan una respuesta MMN ampliada. La latencia de la onda Mismatch Negativity en pacientes con problemas de demencia en la enfermedad de Alzheimer presenta un retardo en Pz [9]. Además la amplitud de la onda como una función del intervalo interestímulo disminuye mucho más en las personas que sufren de Alzheimer que en las personas normales. Esto sugiere que la gráfica decrece más rápido para los que sufren de la patología mencionada que para las personas asintomáticas [10]. Las personas HIV+ generar MMNs morfológicamente diferentes que los HIV-, sugiriendo que HIV puede alterar los procesamientos de percepción y atención[11]. DISEÑO DEL EQUIPO DE ADQUICIÓN DE ONDA MISMATCH NEGATIVITY El hardware del sistema de medición de la onda MMN, es un EEG con ganancia y frecuencia variable y está conformado por tres etapas importantes. Una etapa de instrumentación, la cual conjuga varias etapas de amplificación de la señal obtenida del cerebro a través de unos electrodos y el filtrado de las mismas con el fin de obtener una respuesta mejor de la que permiten los electrodos. Los amplificadores empleados para la primera parte de la etapa de instrumentación son el AMP01EX y LM310. El filtrado pasa altos se hace a través de una realimentación por medio de un integrador seguidor de acoplamiento ADG508A. Después de filtrar se vuelve a amplificar empleando un amplificador operacional OP27 en configuración no inversor en conjunto con un multiplexor ADG508A que da la opción de ganancias variables a través de diferentes resistencias. La siguiente parte consisten en un amplificador de aislamiento, AD204 en configuración no inversor. Después se filtra

3 la señal pero por bajos empleando un filtro pasa bajos LTC1062 con frecuencias de corte de 80, 160, 1000, 2000 Hrz (los condensadores respectivos fueron: 0.3µf, 0.15µf, 0.26nf, 13nf, con R=10Kohms) (para poder obtener los valores de los condensadores se recurrió a la siguiente fórmula: 1/[2*pi*R*C]=fc/1.62). Finalmente de amplifica con un OP27 no inversor con ganancia fija para obtener la amplitud deseada que son 5 Vp-p. En la figura a continuación se recopilan los pasos que se siguieron en la etapa de instrumentación. Figura 1. Etapa de amplificación del diseño. Una segunda etapa es la digital, en la cual se toma los datos que vienen de la etapa de instrumentación se interpretan y se convierten de análogos a digitales a través de un ADC1064, para luego ser controlados mediante el microcontrolador ATMEL 87C51 y a través de puerto serial ser recibidos en el computador empleando el ICL232. Esto se hace con el fin de tener la opción de visualizar lo que se obtiene del equipo de adquisición de ondas. Figura 2. Diseño digital A continuación se presenta un diagrama de las diferentes etapas del equipo. APLIFICACION PC FILTRO µc CAD Figura 3. Diagrama de bloques de las diferentes etapas del medidor. El software consiste en un programa diseñado en Delphi que permite la interactuación de un procedimiento de estimulación auditiva, con la recepción de la señal proveniente del cerebro obtenida de unos electrodos ubicados estratégicamente en el cuero cabelludo, después de que el sujeto al cual se le está realizando la prueba sea estimulado. Este programa genera una serie de estímulos aleatorios con dos clases de frecuencias(estándar y deviant), las cuales a su vez presentan probabilidades de ocurrencia diferentes. El programa se encarga a su vez de recibir la información proveniente del cerebro tras la estimulación. Con la información recibida se realizan unos promedios equivalentes a las repuestas obtenidas de la estimulación estándar y de la estimulación deviant, cada una por su parte. Para la realización del software fue necesario diseñar desde un procedimiento global (EXAMEN) un procedimiento de estimulación y uno de recepción. El procedimiento de estimulación se manejó a través de un componente EHNWAVEOUT de Delphi el cual permite que se generen los sonidos a las frecuencias establecidas, así como sus porcentajes de ocurrencia. Para esto se creo otro procedimiento llamado PARAMETROS_DEL REGISTRO el cual permite, como su nombre lo indica, parametrizar las características de la estimulación. Para lanzar los estímulos se creó una tabla que aleatoriza unos (1) y ceros (0), con probabilidades de ocurrencia determinadas. Esta información se almacena en un vector que equivale a la tabla de estímulos que finalmente es lanzada para que se generen los sonidos, haciendo coincidir los ceros (0) con estímulos estándar y los unos (1) con estímulos deviant. Por su parte para la recepción de la onda proveniente del cerebro se recurrió a un componente llamado RS232 (COMPORTDRIVER), que permite la obtención de los datos provenientes del EEG a través del puerto serial. La recepción inicia con la conexión del puerto COM1, a 9600 baudios, con 8 bits y sin paridad. El programa recibe secuencialmente un bit de sincronismo, uno de alta y uno de baja. Finalmente, cuando la recepción y la estimulación terminan, el programa se

4 encarga de realizar los promedios de las respuestas estándar y deviant, para finalmente hacer la resta correspondiente, con lo cual se obtiene la gráfica MMN (MISMATCH). PROTOCOLO DEL REGISTRO El paradigma de estimulación es de frecuencia y los valores de frecuencia empleados son de 1000 Hz para estímulos estándar y 1100 Hz para deviant, con probabilidades de ocurrencia del 80 y 20% respectivamente. Los estímulos se lanzan aleatoriamente. Con éstos valores se logra la mayor amplitud de la onda. No obstante, se deja la posibilidad de variarlos para hacer las comparaciones del caso. [5] Se considera un intervalo interestímulo de 1 s.[4] La aparición de la componente se da después de los 100 ms y dura hasta los 250 ms después de la estimulación.[1], [6] Máxima amplitud de la onda: 10 Mv. Esta se logra cuando los electrodos Ag- Ag/Cl se ubican en el hemisferio izquierdo del cerebro tomando como referencia la nariz, entre Fz y L4. [1],[4] Es necesario estimular 65 veces al sujeto por cada secuencia que se le practique. El número de estímulos estándar y deviant varia de acuerdo a la probabilidad establecida en el software. No obstante una sola secuencia de adquisición no es suficiente. En ese caso hay que recurrir a 3 secuencias de adquisición con lo que se obtienen tras tres tandas de 65 estímulos por sujeto, cada una [4]. Sin embargo como se estimulara 80% estándar y 20% deviant, el número de estímulos respectivos es 52 y 13 [3]. Se considera un intervalo interestímulo de 1 segundo, con lo cual se obtiene una duración de la secuencia completa de estimulación de (65 segundos + (52*0.5+13*0.3)) lo cual da = 94 segundos aproximadamente. Las edades de los individuos oscilan entre los 20 y los 40 años. [7] El individuo debe estar relajado y con la mirada fija en un punto en particular al frente de él. Debe estar relajado pero despierto, porque los estados de sueño complican el buen funcionamiento de la onda. [5], [8] Si hace frío, se le suministra una cobija. Se le sienta en una silla reclinable y se le coloca una almohada. El sujeto no puede estar bajo efectos de alcohol, drogas ni cigarrillo. [1] CONCLUSIONES 1. Se pudo probar el equipo completo en personas normales y se logró obtener las ondas esperadas. No obstante, la onda MMN se obtuvo con ruido de alta frecuencia. Esto se soluciona con un filtro pasa bajos. Para futuras pruebas, se podría pensar en hacer mediciones de la onda Mismatch Negativity en personas que presenten algún tipo de patología de las que se consideran como importantes en estudios de ésta índole a fin de comprobar el comportamiento de la onda ante las distintas patologías. 2. Esta tesis permite servir para futuras aplicaciones, donde se requieran canales de Electroencefalograma, así como el manejo del software de adquisición diseñado en Delphi. Es importante tener en claro que el hardware (Electroencefalograma) permite variaciones en frecuencia, para poder utilizarlo en otros estudios similares. 3. Otra conclusión importante que se obtuvo del medidor de la onda MMN es que la relación señal a ruido puede ser una limitante a la hora de aplicar la componente MMN clínicamente. 4. Un factor importante a la hora de la realización de las pruebas fue la tranquilidad del sujeto y del ambiente que lo rodeaba. Porque en la medida en que éste se vio afectado por distracciones como la luz, el ruido, los movimientos para acomodarse en la silla, la onda resultante fue menos clara.

5 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] Attention and Brain Function. Risto Naatanen E.d. Lawrence Erlbaum Associates inc. [2] [3] Development and topografy of auditory event related potentials ERPs: Mismatch and processing negativities in individual 8-22 years of age. Rober D Oares. Electroencephalogr Clin Neurophisiology Jun (6). [4] Evoked Potential testing. Clinical aplication. Jeffrey H Owen, Hallowell Davis, E.d. Grune and Stratton inc. [5] The mismatch negativity to frecuency deviant stimulli during natural sleep. Lowy DH,Campbell KB. Electroencephalogr Clin Neurophisiology Jun (6): [6] Bioelectrical coclear noise and its contralateralsupression: Relation to background activity of the eight nerve and effects of sedation and anesteshia. Lima Da Costa D, Erre JP, Charlet de Savage R. Exp Brain Resp Sept; 116(2): [7] Differentiation of negative event related potentials in an auditory discrimination task. Novak GP, Ritter W, et al. Electroencephalogr Clin Neurophisiology Abril 75(4): [8] Auditory event-related potentials to deviant stimuli during drowsiness and stage 2 sleep. Winter O, Kok A. Electroencephalogr Clin Neurophisiology Sep 96(5): [9] Distribution of event-related potentials in patients with dementia. Yokoyama, Y, Nakashima, K, Shimoyama, R, Urakami, K, Takahashi, K. Electromyogr Clin Neurophysiol, (1995) 35: [10] Auditory sensory memory impairment in Alzheimer's disease: an event-related potential study. Pekkonen, E, Jousmaki, V, Kononen, M, Reinikainen, K, Partanen, J. Neuroreport, (1994) 5: [11] Mismatch negativity: an index of subclinical neurological differences in HIV patients during rapid perceptual processing. Linnville, SE, Elliott, FS. J Neuropsychiatry Clin Neurosci, (1997) 9: